CN107215871B - 一种超级电容器用活性炭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超级电容器用活性炭的制备方法，包括以下步骤：(1)备料；(2)炭化；(3)预活化；(4)活化；(5)洗涤。该活性炭拥有较高的比表面积、高中孔率和高产率，高的比表面积为电解液提供多的吸附点，从而提高了双电层电容器的比电容，此外拥有高的中孔率，可以为电解液的迅速扩散提供通道，使电容器在大电流充放电下有好`的倍率性能，高的产率为原材料节约能源。本发明制备方法中的活化条件温和、耗能小，对环境无污染，操作方便，原材料来源广泛，成本低，适合大规模工业化生产。

Description

一种超级电容器用活性炭的制备方法
技术领域
本发明涉及多孔炭材料技术领域，特别涉及一种超级电容器用活性炭的制备方法。
背景技术
超级电容器是一种介于蓄电池和传统电容器之间、基于电极电解液界面的电化学过程的储能元件，其容量来源于双电层电容和法拉第准电容，它兼有普通电容器功率密度大和蓄电池能量密度高的特点，具有优异的连续快速充放电性能、循环寿命长、功率密度高、使用温度范围宽、对环境友好等优点。超级电容器在许多领域都有广泛的应用前景，如移动通信、信息技术、航空航天、国防科技、民用领域或单独用于调整电负荷、贮存电力，或与燃料电池、太阳能电池、风力发电、内燃机等产生电能的装置混合使用。
目前越来越多的研究关注的提高超级电容器的电化学性能，尤其提高其比电容、充放电循环性能等。目前的研究表明，超级电容器的电极材料是制约其性能的关键因素之一，而活性炭材料具有的大的比表面积、高的中孔率、低的电阻率、化学性能稳定、孔结构可控、价格低廉、来源广泛等优点，使其作为超级电容器的理想电极材料。因此，如何制备出比表面积大、中孔率高、总孔容大的活性炭材料对提高超级电容器的电化学性能具有至关重要的作用。
活性炭制备原料来源丰富、价格低廉，广泛应用于吸附、分离、提纯、催化以及储能等领域。目前商用活性炭比表面积较小，且主要由微孔组成，仅含有少量的中孔和大孔，然而用作分离大分子物质的吸附剂、催化剂载体以及电化学电容器电极材料等需要具有较大的比表面积和较高的中孔率。因此，本发明通过研究优化制备工艺技术参数，使得活性炭材料具有很好的性质。
发明内容
鉴以此，本发明提出一种超级电容器用活性炭的制备方法，解决比表面积小、中孔率低和产率低的问题，提供一种同时具有高比表面积、高中孔率和高产率的活性炭制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一种超级电容器用活性炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：将椰壳、椰肉粉碎，用振动筛筛选成粉末。
(2)炭化：将粉末置于通有N2的管式炉中，以8～12℃/min升温速率升温至400～500℃，并保温30～150min，得炭化材料。
(3)预活化：将步骤(2)中的炭化材料与KOH进行混合研磨，将研磨好的混合粉末置于通有N2的管式炉中，以8～12℃/min升温速率升温至350～400℃并保温30～90min。
(4)活化：将预活化后的混合粉末再升温至900～1000℃，并保温30～150min，并在N2自热冷却至室温，得活化材料。
(5)洗涤：将步骤(4)中活化材料，先在去离子水中清洗，再用酸溶液浸泡清洗至中性，在温度为100～120℃下干燥烘干，得活性炭，所述活性炭的比表面积为3700～3900m2/g、总孔容积为2.5～2.7cm3/g、中孔率为45～55％。
优选地，一种超级电容器用活性炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：将椰壳、椰肉粉碎，用振动筛筛选成粉末。
(2)炭化：将粉末置于通有N2的管式炉中，以10℃/min升温速率升温至430℃，并保温90min，得炭化材料。
(3)预活化：将步骤(2)中的炭化材料与KOH进行混合研磨，将研磨好的混合粉末置于通有N2的管式炉中，以10℃/min升温速率升温至360℃并保温60min。
(4)活化：将预活化后的混合粉末再升温至900～1000℃，并保温30～150min，并在N2下自热冷却至室温，得活化材料。
(5)洗涤：将步骤(4)中活化材料，先在去离子水中清洗，再用酸溶液浸泡清洗至中性，在温度为110℃下干燥烘干，得活性炭，所述活性炭的比表面积为3828m2/g、总孔容积为2.581cm3/g、中孔率为49％。
优选地，所述步骤(1)中，振动筛的目数为100～120目。
优选地，所述步骤(3)中，炭化材料与KOH按照质量比为1:1～4进行混合研磨。
优选地，所述步骤(5)中，酸溶液为2％的HCl溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种应用于超级电容器中的具有高比表面积和中孔率高的活性炭的制备方法。该制备方法采用KOH化学活化的方法，在炭碱比1：1～4的条件下通过改变活化温度来调节活性炭的比表面积和中孔率，比表面积达4000m2/g、中孔率达50％、产率达50％。该活性炭拥有较高的比表面积、高中孔率和高产率，高的比表面积为电解液提供多的吸附点，从而提高了双电层电容器的比电容，此外拥有高的中孔率，可以为电解液的迅速扩散提供通道，使电容器在大电流充放电下有好的倍率性能，高的产率能节约能源，充分利用原材料。本发明制备方法中的活化条件温和、耗能小，对环境无污染，操作方便，原材料来源广泛，成本低，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1为所述活性炭在活化温度900℃、920℃和950℃下的N2等温吸脱附曲线图；
图2为所述活性炭在活化温度900℃下的孔径分布图；
图3为所述活性炭在活化温度920℃下的孔径分布图；
图4为所述活性炭在活化温度950℃下的孔径分布图。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，做进一步的说明。
实施例1
一种超级电容器用活性炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：将椰壳、椰肉粉碎，用目数为100目的振动筛筛选成粉末。
(2)炭化：将粉末置于通有N2的管式炉中，以10℃/min升温速率升温至430℃，保温30min，得炭化材料。
(3)预活化：将步骤(2)中的2g炭化材料与8gKOH进行混合研磨按照质量比1:4，将研磨好的混合粉末置于通有N2的管式炉中，以8℃/min升温速率升温至350℃并保温30min。
(4)活化：将预活化后的混合粉末再升温至900℃，并保温30min，并在N2的气氛下自热冷却至室温，得活化材料。
(5)洗涤：将步骤(4)中活化材料，先在去离子水中清洗，再用2％的HCl溶液浸泡清洗至中性，在温度为110℃下干燥烘干，得活性炭。
实施例2
一种超级电容器用活性炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：将椰壳、椰肉粉碎，用目数为100目的振动筛筛选成粉末。
(2)炭化：将粉末置于通有N2的管式炉中，以10℃/min升温速率升温至430℃，保温90min，得炭化材料。
(3)预活化：将步骤(2)中的2g炭化材料与8gKOH按照质量比1:4进行混合研磨，将研磨好的混合粉末置于通有N2的管式炉中，以12℃/min升温速率升温至400℃并保温90min。
(4)活化：将预活化后的混合粉末再升温至1000℃，并保温150min，并在N2的气氛下自热冷却至室温，得活化材料。
(5)洗涤：将步骤(4)中活化材料，先在去离子水中清洗，再用2％的HCl溶液浸泡清洗至中性，在温度为110℃下干燥烘干，得活性炭。
实施例3
一种超级电容器用活性炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)备料：将椰壳、椰肉粉碎，用目数为100目的振动筛筛选成粉末。
(2)炭化：将粉末置于通有N2的管式炉中，以10℃/min升温速率升温至430℃，并保温90min，得炭化材料。
(3)预活化：将步骤(2)中的2g炭化材料与8gKOH按照质量比1:4进行混合研磨，将研磨好的混合粉末置于通有N2的管式炉中，以10℃/min升温速率升温至360℃并保温60min。
(4)活化：将预活化后的混合粉末再升温至950℃，并保温60min，并在N2的气氛下自热冷却至室温，得活化材料。
(5)洗涤：将步骤(4)中活化材料，先在去离子水中清洗，再用2％的HCl溶液浸泡清洗至中性，在温度为110℃下干燥烘干，得活性炭。
实施例1～3制备的活性炭的参数如下表1所示：
见图1本发明通过900℃、920℃和950℃的活化温度下制备活性炭，其N2等温吸脱附曲线数值如下表2所示
表2：
为了进一步验证本发明的有益效果，做了以下实验：
一、设置对比例1：参考申请号201610302176.1的说明书中活性炭的制备方法及表3数据。
由此可知，本发明通过改进工艺，改变炭化、预活化和活化等工艺使得活性炭具有高的比表面积和高中孔率，相比于对比例较高，使得活性炭具有良好的化学性质。
设置对比例2
该对比例与实施例3的区别在于：所述步骤(2)中炭化温度为720℃。
设置对比例3
该对比例与实施例3的区别在于：所述步骤(3)中未进行预活化。
设置对比例4
该对比例与实施例3的区别在于：所述步骤(4)中活化温度为850℃。
设置对比例5
该对比例与实施例3的区别在于：所述步骤(2)中炭化温度为750℃，所述步骤(4)中活化温度为850℃。
其实验结果如下表4所示：
组别 比表面积(m<sup>2</sup>/g) 中孔率(％) 产率(％)
对比例2 3062 28 25
对比例3 3087 20 30
对比例4 3164 30 25
对比例5 3116 31 20
由上表可知，本发明通过研究改变炭化条件、预活化条件和活化条件，使得制备的活性炭具有高比表面积、高中孔率和高产率，相对于对比例具有很好的化学性质。
综上所述，采用本发明所提供的一种应用于超级电容器中的具有高比表面积和中孔率高的活性炭的制备方法。该制备方法采用KOH化学活化的方法，在炭碱比1：1～4的条件下通过改变活化温度来调节活性炭的比表面积和中孔率，比表面积达4000m2/g、中孔率达50％、产率达50％。该活性炭拥有较高的比表面积、高中孔率和高产率，高的比表面积为电解液提供多的吸附点，从而提高了双电层电容器的比电容，此外拥有高的中孔率，可以为电解液的迅速扩散提供通道，使电容器在大电流充放电下有好的倍率性能，高的产率能节约能源，充分利用原材料。本发明制备方法中的活化条件温和、耗能小，对环境无污染，操作方便，原材料来源广泛，成本低，适合大规模工业化生产。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超级电容器用活性炭的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)备料：将椰壳、椰肉粉碎，用振动筛筛选成粉末；
(2)炭化：将粉末置于通有N2的管式炉中，以10℃/min升温速率升温至430℃，并保温90min，得炭化材料；
(3)预活化：将步骤(2)中的炭化材料与KOH进行混合研磨，将研磨好的混合粉末置于通有N2的管式炉中，以10℃/min升温速率升温至360℃并保温60min；
(4)活化：将预活化后的混合粉末再升温至900～1000℃，并保温30～150min，并在N2下自热冷却至室温，得活化材料
(5)洗涤：将步骤(4)中活化材料，先在去离子水中清洗，再用2％的HCl溶液浸泡清洗至中性，在温度为110℃下干燥烘干，得活性炭，所述活性炭的比表面积为3828m2/g、总孔容积为2.581cm3/g、中孔率为49％。
2.如权利要求1所述的一种超级电容器用活性炭的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，振动筛的目数为100～120目。
3.如权利要求1所述的一种超级电容器用活性炭的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，炭化材料与KOH按照质量比为1:1～4进行混合研磨。
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